45kW高功率CO2激光熔覆过程中裂纹行为的实验研究

　　高功率TEA CO2激光器采用横向放电激励脉冲重复频率工作制式,脉宽窄,工作气压高,为得到高重复频率下的高能激光输出,需要实现高能量、大体积、均匀稳定的脉冲辉 光放电。对于窄脉冲气体放电,大电流是弧光放电的特征,气压越高,注入能量越大,放电区的气体扰动引起气压与温度分布的不均匀性和等离子体的热不稳定性都 会导致辉光放电向弧光放电转变[1]。在TEA CO2激光器中,气体放电的电光转换效率一般在15%以下[2],这表明有85%以上的电能转变为热能,使放电区气体温度急剧升高,体积膨胀。一方面,放 电引起气体分解和反应,产生有害于稳定放电和激光输出的物质;另一方面,气体温度过高会使激光功率下降甚至无输出[3]。研究表明,在其它条件不变的情况 下,稳定的放电频率与气流速度成正比[4]。因此,对气体循环系统的功能要求是:在两个脉冲的间隔时间内,将放电后的气体完全移出放电区;使放电区气流分 布均匀;对放电后的高温气体进行冷却。本文针对TEA CO2激光器气体循环系统在气流参数、结构布局、功能器件选型和流场设计方面进行了研究。

　　1　TEA CO2激光器气体循环系统

　　1.1　放电区气体流速

　　在脉冲气体激光器研究中,通常将放电电极间的气体在一个脉冲周期内移动的距离与电极宽度之比称为清洗系数。清洗系数的取值没有理论上的计算公式,是由经验来确定的,一般取清洗系数大于2。然而仅以清洗系数来确定气流速度是有局限性的。

　　本文采用的TEA CO2激光器放电腔横截面如图1所示,由张氏电极、两侧火花针阵列紫外预电离和绝缘板构成,其中电极宽度H=45 mm,两侧火花针间距L=180 mm,电极间流道长度(垂直纸面方向)为1.5 m。

　　本文采用了结构体积流量法,即以上游火花针到电极出口边缘之间(尺寸为L/2+H/2)的流道结构体积为基数,结合在设计参数下放电引起气体膨胀的程度,取在一个脉冲周期内气体体积流量为该基数的1.5倍来确定系统气体流量参数。

　　1.2　系统结构布局

　　不论激光腔是圆筒式、方箱式还是环形通道式,循环系统的流场都是由风机、放电腔、热交换器和导流装置构成的环形结构。图2是常见的两种流场结构布局。

　　从结构上看,当气体横向流动时,电极间是流道最窄处,其两侧是逐渐扩张的,在一个脉冲周期内,电极间的气体流出时因体积膨胀速度降低,其实际移 动的距离比按电极间流速计算的数值要小。还有一个不能忽视的因素是,火花针预电离放电虽然能量比主放电小,但它是弧光放电,使气体裂解和温升膨胀程度更 重。假如以清洗系数为2来确定气体流量,在一个脉冲周期内,处于电极上游的火花针放电产生的等离子体还将留在放电区,这会影响到下个脉冲主放电。由于清洗 系数方法没有综合考虑放电腔实际结构尺寸和放电参数,所以不能准确确定气体流量。